Come le grandi turbine eoliche offshore rappresentano una sfida per la progettazione dei cuscinetti

Sep 01, 2023

Di Paul Dvorak | 23 febbraio 2018

Filippo Schmid, Ingegnere applicativo, SKF

Filippo Schmid

Dal 2012, ogni anno nelle acque europee vengono messe in funzione turbine offshore con una potenza totale superiore a un GigaWatt (GW). Secondo WindEUROPE, nel 2016 l’energia eolica offshore in Europa ha registrato una capacità netta aggiuntiva connessa alla rete di 1.558 MW.

Nonostante le sfide legate alla costruzione di turbine offshore, si prevede che la capacità aumenterà man mano che i siti terrestri adatti diventeranno più scarsi e gli operatori trarranno vantaggio dalla maggiore consistenza del vento in mare. Anche la potenza di uscita delle turbine offshore tende ad essere maggiore rispetto a quella delle loro controparti terrestri. Secondo WindEUROPE la potenza media delle turbine offshore installate nel 2016 è stata di 4,8 MW. Turbine di capacità pari o superiore a 9 MW sono ora in fase di lancio: lo sviluppo di Vestas V164-9,5 MW ne è un ottimo esempio.

La turbina generica con cambio presenta una sospensione a due punti fornita dai due grandi cuscinetti. La disposizione viene utilizzata su turbine nella gamma di 6 MW.

Le turbine eoliche offshore tendono anche ad avere pale più lunghe che impongono forze maggiori sulle trasmissioni. Inoltre, le trasmissioni e i relativi cuscinetti corrono un rischio maggiore di corrosione a causa dell’ambiente di acqua salata. Condurre la manutenzione offshore è difficile, potenzialmente pericoloso e costoso, quindi gli operatori desiderano ridurre la frequenza delle visite di manutenzione, il che pone notevoli esigenze sui cuscinetti del rotore e sulla loro capacità di continuare a funzionare in modo affidabile in queste condizioni per lunghi periodi.

Esistono quattro concetti comuni di progettazione dei cuscinetti per gli alberi dei rotori delle turbine. La prima è una sospensione a due punti con un cuscinetto a rulli toroidali sul lato del rotore e un cuscinetto orientabile a rulli sul lato del generatore. Questo viene utilizzato ad esempio per le turbine della categoria 6 MW.

Per le classi di prestazioni più elevate, la tendenza è quella di utilizzare una disposizione di cuscinetti "rigida" che prevede un cuscinetto di vincolo e uno di vincolo che combinano un cuscinetto a rulli cilindrici e un cuscinetto a rulli conici a doppia corona. In alternativa, un cuscinetto progettato appositamente che combina i due in un unico cuscinetto, come il Nautilus della SKF, o soluzioni comprendenti due cuscinetti a rulli conici regolati. In tutti i casi, il design, i materiali di costruzione e le geometrie meccaniche di questi cuscinetti avranno un impatto considerevole sulla loro capacità di funzionare in modo affidabile tra gli intervalli di manutenzione.

La turbina generica è progettata con una sospensione a tre punti. Un punto per il cuscinetto grande dell'albero principale e altri due punti su entrambi i lati della scatola del cambio.

Anche altre caratteristiche dei cuscinetti hanno attirato l'attenzione. Le gabbie dei cuscinetti, ad esempio, sono generalmente realizzate in ottone lavorato o lamiera, quest'ultima presente più spesso nei cuscinetti più grandi. Ove possibile, le gabbie vengono sempre installate in un unico pezzo, ma per i cuscinetti più grandi possono comprendere file di segmenti fabbricati singolarmente e posizionati uno dietro l'altro. Tutti i tipi di gabbie possono essere centrate sull'anello interno, il che produce meno usura e quindi prolunga la durata di esercizio del cuscinetto, aspetto chiaramente importante quando si tratta di turbine eoliche offshore.

Anche i cuscinetti del cambio hanno ottenuto aggiornamenti. Uno dei più importanti progressi recenti è un trattamento chimico superficiale che apporta ossidazione nera sulla pista. Rispetto ai cuscinetti non trattati, i cuscinetti ossidati neri possono offrire una serie di vantaggi per le applicazioni nelle turbine eoliche, tra cui la riduzione del rischio di guasti prematuri dei cuscinetti causati da cricche bianche, maggiore resistenza agli attacchi chimici da parte dei componenti più aggressivi di alcuni lubrificanti, minore permeazione di idrogeno, e una migliore resistenza alla corrosione. Inoltre, le superfici dei cuscinetti ossidate nere possono offrire un attrito ridotto, un minor rischio di danni da scivolamento e una maggiore tolleranza alla scarsa lubrificazione dei cuscinetti.

Lo spaccato mostra come un OEM gestisce una configurazione a trasmissione diretta con sospensione a due punti, su entrambi i lati del rotore.